近年來隨著材料制備技術(shù)與下游應(yīng)用市場的成熟，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體襯底材料市場規(guī)模持續(xù)擴大。
半導(dǎo)體襯底材料發(fā)展至今經(jīng)歷了三個階段。
第一階段是20世紀50年代開始，以硅為代表的第一代半導(dǎo)體材料制成的二極管和晶體管取代了電子管，引發(fā)以集成電路為核心的微電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展；
第二階段是 20?世紀 90?年代開始，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，硅材料的物理瓶頸日益突出，以砷化鎵為代表的第二代半導(dǎo)體材料嶄露頭角，相關(guān)器件制備技術(shù)逐漸成熟，使半導(dǎo)體材料進入光電子領(lǐng)域；
第三階段是近年來，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料在禁帶寬度、擊穿電場強度、飽和電子漂移速率、熱導(dǎo)率以及抗輻射等關(guān)鍵參數(shù)方面具有顯著優(yōu)勢，進一步滿足了現(xiàn)代工業(yè)對高功率、高電壓、高頻率的需求。
表??三代半導(dǎo)體襯底材料的指標參數(shù)對比
數(shù)據(jù)來源：《寬禁帶半導(dǎo)體高頻及微波功率器件與電路》，趙正平著，國防工業(yè)出版社
以碳化硅為襯底制成的功率器件相比硅基功率器件具有優(yōu)越的電氣性能，具體如下：
①耐高壓。碳化硅的擊穿電場強度是硅的 10?余倍，使得碳化硅器件耐高壓特性顯著高于同等硅器件。
②耐高溫。碳化硅相較硅擁有更高的熱導(dǎo)率，使得器件散熱更容易，極限工作溫度更高。耐高溫特性可以帶來功率密度的顯著提升，同時降低對散熱系統(tǒng)的要求，使終端可以更加輕量和小型化。
③低能量損耗。碳化硅具有 2 倍于硅的飽和電子漂移速率，使得碳化硅器件具有極低的導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通損耗低；碳化硅具有 3 倍于硅的禁帶寬度，使得碳化硅器件泄漏電流比硅器件大幅減少，從而降低功率損耗；碳化硅器件在關(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開關(guān)損耗低，大幅提高實際應(yīng)用的開關(guān)頻率。
圖??同規(guī)格碳化硅器件與硅器件對比，來源：ROHM
由于碳化硅器件具備優(yōu)越性能，可以滿足電力電子技術(shù)對高溫、高功率、高壓、高頻及抗輻射等惡劣工作條件的新要求，從而成為半導(dǎo)體材料領(lǐng)域最具前景的材料之一。
以碳化硅晶片為襯底，通常使用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法，在晶片上淀積一層單晶形成外延片。其中，在導(dǎo)電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層制得碳化硅外延片，可進一步制成功率器件，應(yīng)用于新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域。
現(xiàn)有的功率器件大多基于硅半導(dǎo)體材料，由于硅材料物理性能的限制，器件的能效和性能已逐漸接近極限，難以滿足迅速增長和變化的電能應(yīng)用新需求。碳化硅功率器件以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化要求，在新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。
圖?碳化硅功率器件應(yīng)用領(lǐng)域
特別是在新能源汽車領(lǐng)域，碳化硅功率器件已成功上車，應(yīng)用于電機驅(qū)動系統(tǒng)中的主逆變器，能夠顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量和成本，提高功率密度；應(yīng)用于車載充電系統(tǒng)和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能夠有效降低開關(guān)損耗、提高極限工作溫度、提升系統(tǒng)效率；應(yīng)用于新能源汽車充電樁，可以減小充電樁體積，提高充電速度。
根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2021-2027年，全球SiC功率器件市場規(guī)模將由10.9億美元增長到62.97億美元，CAGR為34%；其中新能源車用SiC市場規(guī)模將由6.85億美元增長到49.86億美元，CAGR為39.2%，新能源車（逆變器+OBC+DC/DC轉(zhuǎn)換器）是SiC最大的下游應(yīng)用，占比由62.8%增長到79.2%，市場份額持續(xù)提升。
來源：天科合達招股書
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：SiC功率器件的優(yōu)勢及應(yīng)用
